DE10032313A1

DE10032313A1 - Alloy steel coil springs and method of making such coil springs

Info

Publication number: DE10032313A1
Application number: DE2000132313
Authority: DE
Inventors: Otto Krickau; Andreas Bernhardt; Nils Lippmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-17
Also published as: JP2004502032A; EP1301648A1; DE50107847D1; EP1301648B1; WO2002002840A1

Abstract

The invention relates to a coil spring from an alloy steel and to a method for producing said coil springs. The aim of the invention is to produce coil springs that have a good core hardness, showing very little wear even under high constant loads, and to provide a simple method for producing such spring coils. To this end, the coil springs are produced from a steel that contains nitride-forming alloy components, wherein a nitride-containing diffusion layer forms at least part of the surface of the coil spring. According to the method for producing the inventive coil springs the surface of coil springs that are produced from a steel that contains nitride-forming alloy components is at least partially converted to a diffusion layer by nitrating it with a nitrogenous treatment gas. The nitrogen content in the treatment gas is selected such that no connecting layer is formed on the surface of the coil spring.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft Schraubenfedern aus Stahl mit nitridbildenden Legierungsbestandteilen und ein Verfahren zum Herstellen insbesondere solcher Schraubenfedern.The invention relates to coil springs made of steel nitride-forming alloy components and a method for Manufacture in particular of such coil springs.

Schraubenfedern der genannten Art finden u. a. als Düsenhalter federn in Dieseleinpritzsystemen Verwendung. Um strengen Aufla gen bezüglich eines umweltgerechten Abgasverhaltens und eines geringen Kraftstoffverbrauchs zu genügen, müssen neue Dieseleinspritzsysteme mit Einspritzdrücken zwischen 1000 und 2500 bar betrieben werden. Die dabei verwendeten Düsenhalter müssen den Druck konstant halten. Für Düsenhalter an Dieselein spritzsystemen werden Düsenhalterfedern, aus einem silicium chromlegierten Federstahldraht mit einer Dauerfestigkeit von KH < 900 N/mm² und einer maximalen Relaxation von 1% im Dauer betrieb eingesetzt. Die Düsenhalterfedern haben die Aufgabe, das bei jedem Einspritzvorgang sich öffnende Magnetventil wieder dicht zu schließen. Als Folge hoher Stoß-, Schwingungs- und Rotationsbeanspruchungen treten insbesondere bei hohen Einspritzdrücken an den Stirnflächen der Düsenhalterfedern Verschleißerscheinungen auf, welche die Funktionsfähigkeit des Einspritzsystems durch Druckabfall verschlechtern, d. h. das Magnetventil wird nicht mehr dicht geschlossen. Der Dieselmotor "rußt".Coil springs of the type mentioned are used, inter alia, as nozzle holder springs in diesel injection systems. In order to meet strict requirements regarding environmentally friendly exhaust gas behavior and low fuel consumption, new diesel injection systems have to be operated with injection pressures between 1000 and 2500 bar. The nozzle holder used must keep the pressure constant. For nozzle holders on diesel injection systems, nozzle holder springs made of a silicon chrome alloy spring steel wire with a fatigue strength of KH <900 N / mm ² and a maximum relaxation of 1% are used in continuous operation. The task of the nozzle holder springs is to close the solenoid valve that opens with each injection process. As a result of high shock, vibration and rotation stresses, wear phenomena occur in particular at high injection pressures on the end faces of the nozzle holder springs, which deteriorate the functionality of the injection system due to a drop in pressure, ie the solenoid valve is no longer closed tightly. The diesel engine "smokes".

Zur Lösung des Problems wurde schon vorgeschlagen, die Federoberfläche einer Plasmanitrierung mit Verbindungsschicht bildung auszusetzen. Es stellte sich aber heraus, daß die auf der Metalloberfläche sich dabei bildende Nitridverbindungs schicht bei schlagartiger Beanspruchung zum Abplatzen neigt und der dabei entstehende, als Schmirgel wirkende Abrieb den Verschleiß noch beschleunigt.To solve the problem it has already been proposed that Spring surface of a plasma nitriding with connection layer to suspend education. But it turned out that the the metal surface forming nitride compounds layer tends to flake off under sudden stress and the resulting abrasion, which acts as an emery Wear accelerated.

The invention and its advantages

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Schraubenfedern mit guter Kernhärte, welche auch unter starker Dauerbelastung einen sehr geringen Verschleiß zeigen, und ein einfaches Verfahren anzuge ben, um insbesondere solche Schraubenfedern herzustellen.It is the object of the invention to provide coil springs with good Core hardness, which is very good even under heavy permanent stress show little wear and tear and a simple procedure ben, in particular to produce such coil springs.

Diese Aufgabe wird mit Schraubenfedern der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 gelöst.This task is done with coil springs of the type mentioned Kind with the features of the characterizing part of claim 1 and with a method of the type mentioned above with the Features of the characterizing part of claim 10 solved.

Die erfindungsgemäßen Schraubenfedern zeigen eine sehr hohe Oberflächenhärte, obwohl die Erfinder auf die Verbindungs schicht verzichtet und sich auf die Diffusionsschicht beschränkt haben, wobei für die ausschließliche Erzeugung der Diffusionsschicht die erste Voraussetzung ist, daß der Feder stahl nitridbildende Legierungsbestandteile enthält. Die nitridbildenden Legierungsbestandteile bilden mit Stickstoff Sondernitride in der Diffusionsschicht. Die durch die Diffusionsschicht gehärtete Oberfläche neigt nicht - wie eine aus Eisennitriden bestehende Verbindungsschicht - zum Abplatzen und damit zum Erhöhen des Verschleißes, vielmehr hat sich gezeigt, daß eine gute Verschleißfestigkeit bereits dann erhal ten wird, wenn die Diffusionsschicht nur größenordnungsmäßig 100 µm dick ist. Weil bereits eine so dünne Diffusionsschicht ausreicht, um die gewünschte Verschleißfestigkeit zu erzielen, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Diffusions schicht mit in einer industriellen Produktion vertretbarem Aufwand unter derartigen Bedingungen herzustellen, daß sich die Kernhärte nicht beachtlich verschlechtert. Das erfindungsgemäs se Verfahren läßt sich mit Apparaturen durchführen, welche bei der Herstellung dünner Schichten gängig sind. Das Verfahren ist unkompliziert, da, wenn von Schraubenfedern ausgegangen wird, die aus dem richtigen Material (s. o.) bestehen, die auschließ liche Bildung der Diffusionsschicht einfach dadurch erreicht wird, daß der N₂-Anteil im Behandlungsgas so niedrig eingestellt wird, daß keine Verbindungsschicht entsteht, wobei der obere Grenzwert leicht durch einfache Versuche ermittelt werden kann.The coil springs according to the invention show a very high surface hardness, although the inventors dispensed with the compound layer and limited themselves to the diffusion layer, the first requirement for the exclusive production of the diffusion layer being that the spring contains steel nitride-forming alloy components. The nitride-forming alloy components form special nitrides in the diffusion layer with nitrogen. The surface hardened by the diffusion layer does not tend - like a connecting layer consisting of iron nitrides - to flake off and thus to increase wear, rather it has been shown that good wear resistance is obtained when the diffusion layer is only 100 µm thick. Because such a thin diffusion layer is sufficient to achieve the desired wear resistance, the method according to the invention makes it possible to produce the diffusion layer with reasonable effort in industrial production under conditions such that the core hardness does not deteriorate appreciably. The process according to the invention can be carried out using apparatuses which are common in the production of thin layers. The process is straightforward because, if coil springs are used which are made of the correct material (see above), the exclusive formation of the diffusion layer is achieved simply by setting the N ₂ content in the treatment gas so low that there is no connecting layer arises, the upper limit can easily be determined by simple experiments.

Um der Schraubenfeder eine ausreichende Verschleißfestigkeit zu verleihen, reicht es aus, wenn die Dicke der Diffusionsschicht mindestens 20 µm bei einer Härte von < 750 HV0,1 in 10 µm Tiefe ist. Eine so definierte Diffusionsschicht von < etwa 150 µm bringt keine weitere Verbesserung der Verschleißfestigkeit.Adequate wear resistance to the coil spring lend, it is sufficient if the thickness of the diffusion layer at least 20 µm with a hardness of <750 HV0.1 at a depth of 10 µm is. A defined diffusion layer of <about 150 µm brings no further improvement in wear resistance.

Es ist vorteilhaft, wenn zu den nitridbildenden Legierungs bestandteilen mindestens ein Metall aus der Gruppe Cr, Mo, V und Al gehört, welche alle gleichzeitig die Eigenschaften von Stahl verbessern können.It is advantageous if the nitride-forming alloy consist of at least one metal from the group Cr, Mo, V and Al heard, which all have the properties of Can improve steel.

Es ist vorteilhaft, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Schraubenfeder um eine Düsenhalterfeder für ein Dieselein spritzsystem handelt, bei der es besonders auf Verschleißresi stenz bei hoher Kernfestigkeit ankommt.It is advantageous if it is in the inventive Coil spring around a nozzle holder spring for a diesel spraying system, which is particularly wear-resistant stenz arrives with high core strength.

Es ist vorteilhaft, wenn die Diffusionsschicht durch Plasmani trieren hergestellt wird. Die Anwendung des Plasmanitrierens ermöglicht nicht nur eine definierte Behandlung hinsichtlich des Aufbaus der Diffusionsschicht, vielmehr kann man das Verfahren auch so durchführen, daß gezielt nur bestimmte Bereiche der Federoberfläche nitriert werden. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der N-Anteil im Behandlungsgas auf < etwa 13 Vol.-% eingestellt wird.It is advantageous if the diffusion layer by Plasmani trieren is produced. The application of plasma nitriding not only enables a defined treatment with regard to the structure of the diffusion layer, rather you can Carry out procedures in such a way that only certain ones are targeted Areas of the spring surface are nitrided. It is there advantageous if the N content in the treatment gas is <about 13% by volume is set.

Es ist vorteilhaft, wenn bei einer Temperatur < 440°C nitriert wird, weil sich bei dieser Temperatur die Kernhärte nicht verschlechtert, die Bildung der Diffusionsschicht in einer vertretbaren Zeit erfolgt, und das Anlassen während der für das Nitrieren erforderlichen Zeit abgeschlossen werden kann.It is advantageous if nitriding occurs at a temperature <440 ° C because the core hardness does not change at this temperature deteriorated, the formation of the diffusion layer in one reasonable time, and the tempering during the for the Nitriding required time can be completed.

Es ist günstig, wenn das Plasma bei einer Spannung (zwischen Anode (Reaktorwand) und Kathode (zu nitrierende Teile)) von etwa 500 bis etwa 580 Volt betrieben wird.It is convenient if the plasma is at a voltage (between Anode (reactor wall) and cathode (parts to be nitrided)) from about 500 to about 580 volts is operated.

Es ist vorteilhaft, wenn zwischen etwa 20 und etwa 30 Stunden lang nitriert wird.It is beneficial if between about 20 and about 30 hours long nitriding.

Es ist vorteilhaft, wenn für die nur teilweise Nitrierung der Federoberfläche die Oberflächenbereiche, die nicht nitriert werden sollen, durch Wände, welche von der Federoberfläche einen geringen Abstand haben, mechanisch abgedeckt werden. Vorteilhafte Vorrichtungen, die diese Voraussetzungen bieten, sind beispielsweise Metallplatten mit Löchern, in welche die Schraubenfedern zum Nitrieren mit der einen Stirnseite voraus in Richtung ihrer Längsachse eingesteckt werden, wobei die Platten etwa so dick sind, wie die Schraubenfedern lang sind, und die Löcher einen Durchmesser haben, der nur wenig größer als der Federaußendurchmesser ist, und wobei die Stirnseiten nicht oder nur unwesentlich aus den Platten herausragen. Mit dieser Vorrichtung kann man in vorteilhafter Weise, wenn die Federn einen Innendurchmesser von < etwa 7 mm haben, bei einem Druck im Bereich zwischen etwa 100 und 150 Pa bzw., wenn der Innendurchmesser der Schraubenfedern < etwa 7 mm und Stifte mit einem etwas geringeren Außendurchmesser als dem Innendurchmes ser der Schraubenfedern in die Schraubenfedern gesteckt werden, bei Drucken bis etwa 300 Pa, die Nitrierung auf die Stirnflä chen der Schraubenfedern beschränken.It is advantageous if for the only partial nitriding Spring surface the surface areas that are not nitrided through walls, which are from the spring surface have a short distance, are covered mechanically. Advantageous devices that offer these requirements are for example metal plates with holes in which the Coil springs for nitriding with one end face ahead are inserted in the direction of their longitudinal axis, the Plates are about as thick as the coil springs are long, and the holes have a diameter that is only slightly larger than the spring outer diameter, and with the end faces do not protrude or only slightly protrude from the plates. With this device can be used advantageously if the Springs have an inner diameter of <about 7 mm, with one Pressure in the range between about 100 and 150 Pa or, if the Inside diameter of the coil springs <about 7 mm and pins with a slightly smaller outside diameter than the inside diameter the coil springs are inserted into the coil springs, at pressures up to 300 Pa, the nitriding on the face limit the coil springs.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schraubenfedern und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.Further advantageous embodiments of the invention Coil springs and the method according to the invention are in the subclaims.

The drawing

Im folgenden wird die Erfindung anhand von durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. Es zeigenIn the following the invention with reference to by drawings explained exemplary embodiments described in detail. It demonstrate

Fig. 1 ein Schliffbild der Windung an der Stirnseite einer Düsenhalterfeder nach der Plasmanitrierung gemäß der Erfindung, Fig. 1 is a micrograph of the turn at the end face of a nozzle holder spring after the plasma nitriding according to the invention,

Fig. 2 in einem Diagramm den Härte-Tiefe-Verlauf an der erfindungsgemäß behandelten Stirnseite einer Düsenhalterfeder, Fig. 2 a diagram showing the hardness depth-profile at the inventively treated end face of a nozzle holder spring,

Fig. 3 eine Photographie eines Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren, Fig. 3 is a photograph of an embodiment of the charging of the nozzle holder springs for the inventive plasma nitriding,

Fig. 4 eine Photographie eines anderen Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren und Fig. 4 is a photograph of another embodiment of the charging of nozzle holder springs for the plasma nitriding according to the invention and

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Chargierung von Düsenhalterfedern für das erfindungsgemäße Plasmanitrieren. Fig. 5 is a schematic representation of a further embodiment of the charging of nozzle holder springs for the plasma nitriding according to the invention.

Im folgenden wird die Erfindung in erster Linie am Beispiel von erfindungsgemäß hergestellten Düsenhalterfedern für Dieselein spritzsysteme und dem Verfahren beschrieben, mit dem diese Schraubenfedern hergestellt werden. Es sei aber klargestellt, daß zwar die Erfindung im Zusammenhang mit solchen Düsenhalter federn besonders vorteilhaft einsetzbar ist und sich besonders anschaulich erläutern läßt, daß aber von diesem Beispiel im Rahmen der Ansprüche mannigfaltige Abweichungen möglich sind.In the following, the invention is primarily based on the example of Nozzle holder springs for diesel produced according to the invention spraying systems and the process by which they are described Coil springs are made. But it should be clarified that although the invention in connection with such nozzle holder springs can be used particularly advantageously and is particularly can be clearly illustrated, but that of this example in Diverse deviations are possible within the scope of the claims.

In der Fig. 3, ist eine Düsenhalterfeder 1 (im folgenden auch kurz als Feder bezeichnet) abgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf solche Federn anwendbar, die aus einem Stahl bestehen, welcher nitridbildende Legierungsbestandteile, wie Cr, enthält. Bevorzugt bestehen solche Federn aus einer Cr-Si- Stahllegierung, wobei das Si die Federeigenschaften verbessert. In Fig. 3, a nozzle holder spring 1 (hereinafter also referred to as a spring) is shown. The method according to the invention is applicable to springs which consist of a steel which contains nitride-forming alloy components such as Cr. Such springs preferably consist of a Cr-Si steel alloy, the Si improving the spring properties.

Statt Cr bzw. zusätzlich zu Cr kann der Stahl mindestens ein nitridbildendes Metall aus der Gruppe Mo, V und Al enthalten.Instead of Cr or in addition to Cr, the steel can have at least one contain nitride-forming metal from the group Mo, V and Al.

Die Fig. 1 zeigt in einem Schliffbild die Metallstruktur an der stirnseitigen Windung 2 einer Feder, nachdem sie der erfin dungsgemäßen Plasmanitrierung unterworfen worden ist. Der Schliff zeigt, daß sich keine Verbindungsschicht aus Eisenni triden auf der Stahloberfläche gebildet hat. Daß sich eine Diffusionsschicht gebildet hat, ist dem Schliffbild nicht zu entnehmen. Die Diffusionsschicht enthält Nitride mit den o. g. nitridbildenden Legierungsbestandteilen. Die Diffusionsschicht kann anhand eines Diagramms, wie es in der Fig. 2 (aufgetragen ist die Härte HV0,1 gegen den Abstand (in mm) von der Oberfläche) gezeigt ist, nachgewiesen werden, welches den auf Messungen der Vickers-Härte beruhenden Härte-Tiefe-Verlauf an der stirnseitigen Windung wiedergibt. Bei der untersuchten Feder ist - wie das Diagramm zeigt - die Diffusionsschichtdicke (Nitrierhärtetiefe) etwa 0,11 mm. Die Nitrierhärtetiefe (Nht gemessen in HV0,1 (Vickers-Härte bei 100 g Belastung)) soll maximal etwa 150 µm und minimal etwa 20 µm bei einer Härte von < 750 HV0,1 in 10 µm Tiefe betragen. Die untersuchte Feder hat bei der Nht eine Kernhärte von etwa 610 HV0,1, die damit etwa 50 HV0,1 über dem Mittelwert (560 HV0,1) der gemessenen Kernhärten liegt. Das Diagramm zeigt auch, daß die Kernhärte durch die Nitrierung nicht vermindert worden ist. Fig. 1 shows in a micrograph the metal structure on the front turn 2 of a spring after it has been subjected to the plasma nitriding according to the invention. The cut shows that no connecting layer of iron nitrides has formed on the steel surface. The micrograph does not show that a diffusion layer has formed. The diffusion layer contains nitrides with the above-mentioned nitride-forming alloy components. The diffusion layer can be demonstrated using a diagram as shown in FIG. 2 (the hardness HV 0.1 is plotted against the distance (in mm) from the surface), which shows the hardness based on measurements of the Vickers hardness. Depth course on the front turn shows. The diffusion layer thickness (depth of nitriding hardness) of the examined spring is - as the diagram shows - about 0.11 mm. The nitriding depth (Nht measured in HV0.1 (Vickers hardness at 100 g load)) should be a maximum of approximately 150 µm and a minimum of approximately 20 µm with a hardness of <750 HV0.1 at a depth of 10 µm. The spring examined has a core hardness of about 610 HV0.1, which is about 50 HV0.1 above the mean value (560 HV0.1) of the measured core hardness. The diagram also shows that the core hardness has not been reduced by the nitriding.

Die Federn, welche erfindungsgemäß gehärtet werden sollen, kommen im Fertigungsablauf nach den Bearbeitungsschritten Wickeln, Anlassen und stirnseitiges Schleifen zum Nitrieren. Das Anlassen, welches dazu dient, Spannungen abzubauen, die sich beim Wickeln des Federdrahts aufbauen und Spannungsrisse am Innenrand des Drahtes verursachen können, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren gegenüber dem bekannten Verfahren (Anlassdauer: 1 Stunde bei 440°C) zu einem Kurzzeitanlassen (bei etwa 440°C 10 Min) verkürzt, das zunächst ausreicht, um Spannungsrisse zu vermeiden. Das endgültige Anlassen erfolgt während des Plasmanitrierens. Durch die Anwendung des Kurzzeitanlassens wird die Gesamtprozessdauer, die durch das Plasmanitrieren verlängert wird, verkürzt, und damit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert.The springs which are to be hardened according to the invention come in the manufacturing process after the processing steps Winding, tempering and face grinding for nitriding. The tempering, which serves to relieve tensions that build up when winding the spring wire and stress cracks on the inside edge of the wire is at inventive method compared to the known method (Tempering time: 1 hour at 440 ° C) for a short-term start (at about 440 ° C 10 min), which is initially sufficient to Avoid stress cracks. The final starting takes place during plasma nitriding. By using the Short-term tempering is the total process time that is caused by the Plasma nitriding is lengthened, shortened, and thus the Economy of the process improved.

Vor dem Plasmanitrieren werden die Federn bevorzugt gereinigt, damit eine fettfreie Oberfläche vorliegt. Die Reinigung kann beispielsweise mit alkalisch-wässrigen Reinigern oder mit Spiritus durchgeführt werden. Wurden die Federn über 24 Stunden gelagert, werden die Federn bevorzugt mit Glasperlen, wie den Ballotini MGL (Handelsname, hergestellt von Eisenwerke Würth GmbH + Co. KG) oder mit Perlen aus einem äqivalenten Material, wie einem Keramikmaterial, gestrahlt (Druck: 4 bar, 10 min).Before the plasma nitriding, the springs are preferably cleaned, so that there is a grease-free surface. The cleaning can for example with alkaline aqueous cleaners or with Alcohol can be performed. The feathers were over 24 hours stored, the springs are preferably with glass beads, such as the Ballotini MGL (trade name, manufactured by Eisenwerke Würth GmbH + Co. KG) or with pearls made of an equivalent material, like a ceramic material, blasted (pressure: 4 bar, 10 min).

Die Diffusionsschicht soll einen Verschleiß der Federn verhin dern. Ein solcher Verschleiß findet nur an den Stirnseiten der Federn statt. Eine Diffusionsschicht wird deshalb nur an den Stirnseiten benötigt. An sich wäre es unkritisch, wenn die Diffusionsschicht an der gesamten Federnoberfläche vorhanden wäre. Da jedoch die Federn während des Plasmanitrierens gehalten und elektrisch kontaktiert werden müssen, kann die Federoberfläche nicht vollständig sondern nur weitgehend nitriert werden und - was ungünstig ist - die weitgehende Nitrierung wäre nicht definiert. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn man sich bei der Nitrierung auf die Stirnseiten der Federn, bevorzugt auf ihre stirnseitigen Windungen, beschränkt.The diffusion layer is intended to prevent the springs from wearing out countries. Such wear and tear only occurs on the end faces of the Feathers instead. A diffusion layer is therefore only on the End faces needed. As such, it would not be critical if the Diffusion layer on the entire surface of the spring would. However, since the springs during plasma nitriding must be held and electrically contacted, the Spring surface not completely but only largely be nitrided and - which is unfavorable - the extensive Nitriding would not be defined. Therefore it is advantageous if you look at the end faces of the nitriding Springs, preferably limited to their front turns.

Vorrichtungen, um die Federoberfläche soweit abzudecken, daß die Nitrierung auf die Stirnseiten beschränkt wird, sind in den Fig. 3 bis 5 gezeigt.Devices to cover the spring surface to such an extent that nitriding is restricted to the end faces are shown in FIGS. 3 to 5.

Bei der in der Fig. 3 gezeigten Vorrichtung werden die Federn 1 in Richtung ihrer Längsachse in die Löcher 3 von Platten 4 eingesteckt. Die Platten bestehen aus einem leitfähigen Material, da über sie die Federn elektrisch kontaktiert werden. Die Platten sind etwa so dick, wie die Federn lang sind. Der Durchmesser der Löcher 3 ist etwa 0,1 mm größer als der Außendurchmesser der Federn. In the device shown in FIG. 3, the springs 1 are inserted into the holes 3 of plates 4 in the direction of their longitudinal axis. The plates are made of a conductive material because they make electrical contact with the springs. The plates are about as thick as the feathers are long. The diameter of the holes 3 is approximately 0.1 mm larger than the outside diameter of the springs.

Bei der in der Fig. 4 gezeigten Vorrichtung sind die Federn zu einem "Bündel" 5 geschnürt, d. h. eine größere Menge von Federn sind parallel (bzgl. der Längsachse) zueinander und mit den Mantelflächen 6 aneinander anliegend angeordnet und mit einem Stahlband 7 umwickelt. Das Bündel wird mit einem Stahldraht 8 zusammengehalten. Eine Stahlschlinge 9 ist vorhanden, um das Bündel im Plasmareaktor aufzuhängen und die elektrische Kontaktierung sicherzustellen. Das Stahlband ist etwa so breit, wie die Federn lang sind, und so angelegt, daß die Federn nicht oder nur unwesentlich über den Rand des Stahlbands hinausragen.In the device shown in FIG. 4, the springs are tied to form a “bundle” 5 , ie a larger number of springs are arranged parallel to one another (with respect to the longitudinal axis) and with the lateral surfaces 6 lying against one another and wrapped with a steel band 7 . The bundle is held together with a steel wire 8 . A steel loop 9 is provided to hang the bundle in the plasma reactor and to ensure the electrical contact. The steel strip is approximately as wide as the springs are long and is designed so that the springs do not protrude or only slightly protrude beyond the edge of the steel strip.

Bei der in der Fig. 5 gezeigten Vorrichtung sind eine größere Menge von Federn parallel (bzgl. der Längsachse) zueinander und mit den Mantelflächen aneinander anliegend in einem Rahmen 10 gestapelt, dessen Abmessung parallel zu den Schraubenachsen etwa so lang wie die Länge der Federn ist. Die Mantelflächen der äußeren Federn liegen am Rahmen an oder fast an, und die Stirnseiten der Schrauben ragen allenfalls unwesentlich über den Rahmen hinaus.In the device shown in FIG. 5, a larger amount of springs are stacked parallel (with respect to the longitudinal axis) to one another and with the lateral surfaces abutting one another in a frame 10 , the dimension of which is approximately as long as the length of the springs parallel to the screw axes , The outer surfaces of the outer springs lie against or almost touch the frame, and the end faces of the screws protrude slightly beyond the frame.

Bei den drei beschriebenen Vorrichtungen sind zum mindesten die Mantelflächen der Federn unter den angewandten Nitrierbedingun gen ausreichend gegen die Einwirkung des Plasmas geschützt.In the three devices described are at least the Shell surfaces of the springs under the nitriding conditions used sufficiently protected against the effects of the plasma.

Bestückt mit Federn wird mindestens eine Vorrichtung gemäß einer der beschriebenen Alternativen in den Plasmareaktor gestellt bzw. gehängt.At least one device according to is equipped with springs one of the alternatives described in the plasma reactor posed or hanged.

Während der Plasmabehandlung wird vor dem Nitrieren ein Sputterschritt durchgeführt, bei dem die zugängliche Oberfläche mit einem in einer H₂- oder einer H₂-Ar-Atmosphere erzeugten Plasma feingereinigt wird.During the plasma treatment, a sputtering step is carried out before the nitriding, in which the accessible surface is cleaned with a plasma generated in an H ₂ or H ₂ Ar atmosphere.

Das Nitrieren dauert zwischen etwa 20 und etwa 30 Stunden und bevorzugt etwa 24 Stunden. Es wird in einer Atmosphäre durch geführt, die < etwa 13 Volum.-% N₂ und außerdem bevorzugt Argon und H₂ enthält. Bevorzugt liegt der N₂-Anteil zwischen etwa 8 und etwa 12 Vol.-% und ganz bevorzugt bei < etwa 10 Vol.-%. Bei N₂-Gehalten < etwa 13 Vol.-% beginnt bereits die Bildung einer Verbindungsschicht auf der Federoberfläche. Der H₂-Anteil ist unkritisch. Der Ar-Anteil sollte maximal 10 Vol.-% betragen. Die Nitrierung wird bei Substrattemperaturen zwischen etwa 350 und etwa 420°C und bevorzugt bei etwa 420°C durchgeführt. Bei Temperaturen unter etwa 350°C findet keine Nitrierung statt. Bei Temperaturen < etwa 440°C bzw., wenn die Behandlung über viele Stunden geht, < etwa 420°C verschlechtert sich die Kernhärte der Feder und damit erhöht sich die Relaxation. Bei Temperaturen < etwa 420°C bleibt die übliche Kernhärte der Federn von < etwa 550 HV0,1 beim Nitrieren erhalten (maximaler Abfall durch das Nitrieren 40 HV0,1). Die genaue Festlegung der Temperatur erfolgt innerhalb des angegebenen Bereichs in Abhängigkeit von der angestrebten temperatur- und zeitabhängi gen Anlasswirkung. Dia Spannung zwischen der Anode (Reaktor wand) und den zu nitrierenden Teilen (Kathode), bei der das Plasma betrieben wird, muß so hoch sein, daß eine anomale Glimmentladung gezündet wird. Diese Zündspannung, die auch von der Reaktorgeometrie abhängt, liegt zwischen 380 und 420 Volt. Andererseits darf die Spannung nicht so hoch sein, daß sich eine Bogenentladung ausbildet, welche den Federstahldraht . aufschmilzt. Diese Spannung liegt typischerweise oberhalb etwa 600 Volt. Bevorzugt liegt die Spannung bei dem erfindungsge mäßen Verfahren zwischen etwa 500 und etwa 580 Volt. Von der Plasmastromdichte im Reaktor hängt ab, ob überhaupt eine Nitrierung stattfindet. Die Plasmastromdichte hängt von der Spannung, der Gaszusammensetzung und dem Druck ab. Da (s. o.) die anwendbaren Bereiche der Gaszusammensetzung und der Spannung aus anderen Gründen festgelegt sind, sollte der Druck, um eine vernüftige Plasmastromdichte sicherzustellen, nicht bei < etwa 100 Pa liegen. Nach oben ist der Druck begrenzt durch die Vorgabe, daß nur die Oberflächen der Drahtwindungen an den Stirnseiten dem Plasma ausgesetzt werden sollen. Ist der Innen durchmesser der Federn nicht größer als 7 mm, kann der Druck < 150 Pa betragen, ohne daß die Innenseite weiterer Windungen der Nitrierung ausgesetzt werden. Bei größeren Innendurchmessern ist es erforderlich, Stifte, deren Durchmesser nur unwesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser der Federn, in die Schrauben einzubringen. Wird diese zusätzliche Maßnahme ergriffen, kann der Druck bis auf etwa 300 Pa erhöht werden, ohne daß das Plasma auf die Federinnenseite wirkt.The nitriding takes between about 20 and about 30 hours, and preferably about 24 hours. It is carried out in an atmosphere which contains <approximately 13% by volume of N ₂ and also preferably argon and H ₂ . The N ₂ content is preferably between about 8 and about 12% by volume and very preferably <about 10% by volume. With N ₂ contents <about 13% by volume, the formation of a connection layer on the spring surface begins. The H ₂ content is not critical. The Ar content should not exceed 10% by volume. The nitriding is carried out at substrate temperatures between approximately 350 and approximately 420 ° C. and preferably at approximately 420 ° C. No nitriding takes place at temperatures below about 350 ° C. At temperatures <approx. 440 ° C or, if the treatment lasts for many hours, <approx. 420 ° C, the core hardness of the spring deteriorates and relaxation increases. At temperatures <approx. 420 ° C the usual core hardness of the springs of <approx. 550 HV0.1 is retained during nitriding (maximum drop due to nitriding 40 HV0.1). The exact determination of the temperature takes place within the specified range depending on the desired temperature and time-dependent starting effect. The voltage between the anode (reactor wall) and the parts to be nitrided (cathode), in which the plasma is operated, must be so high that an abnormal glow discharge is ignited. This ignition voltage, which also depends on the reactor geometry, is between 380 and 420 volts. On the other hand, the voltage must not be so high that an arc discharge forms, which is the spring steel wire. melts. This voltage is typically above about 600 volts. The voltage in the method according to the invention is preferably between approximately 500 and approximately 580 volts. It depends on the plasma current density in the reactor whether nitration takes place at all. The plasma current density depends on the voltage, the gas composition and the pressure. Since the applicable ranges of gas composition and voltage are determined for other reasons, the pressure to ensure a reasonable plasma flow density should not be <about 100 Pa. The upper limit of the pressure is the requirement that only the surfaces of the wire windings on the end faces should be exposed to the plasma. If the inside diameter of the springs is not greater than 7 mm, the pressure can be <150 Pa without the inside of the coil being exposed to further nitriding. For larger inner diameters, it is necessary to insert pins, the diameter of which is only slightly smaller than the inner diameter of the springs, into the screws. If this additional measure is taken, the pressure can be increased to about 300 Pa without the plasma acting on the inside of the spring.

Zur Prüfung des erzielten Nitrierung werden die Federn axial getrennt. Von einer der metallographisch präparierten Trennflä chen wird ein Härte-Tiefe-Profil in HV0,1 (wegen der geringen Nht wird nur mit einer Belastung von 100 g gemessen) erstellt, wie es in der Fig. 2 gezeigt ist. Außerdem wird die Kernhärte ermittelt und überprüft, ob tatsächlich nur an den Stirnseiten der Federn eine Nitrierung stattgefunden hat.To check the nitriding achieved, the springs are separated axially. A hardness-depth profile in HV0.1 (because of the low sewage is only measured with a load of 100 g) is created from one of the metallographically prepared separating surfaces, as shown in FIG. 2. In addition, the core hardness is determined and it is checked whether nitriding has actually only taken place on the end faces of the springs.

Das in der Fig. 2 dargestellte Härte-Tiefe-Profil wurde nach einer Nitrierung unter den folgenden Bedingungen erhalten (die Meßwerte, welche das Härte-Tiefe-Profil ergaben, sind Mittel werte, welche bei den Messungen an einer größeren Anzahl von Proben erhalten wurden):
Druck: 120 Pa
Temperatur: 420°C
Stickstoffgehalt des Behandlungsgases 10 Vol.-%
Spannung: 540 Volt (Puls- : Pausenverhältnis: 1 : 1,5)
Dauer: 24 Stunden.The hardness-depth profile shown in FIG. 2 was obtained after nitriding under the following conditions (the measured values which gave the hardness-depth profile are mean values which were obtained when measurements were carried out on a larger number of samples ):
Pressure: 120 Pa
Temperature: 420 ° C
Treatment gas nitrogen content 10 % by volume
Voltage: 540 volts (pulse: pause ratio: 1: 1.5)
Duration: 24 hours.

Das Diagramm zeigt die etwa 0,11 mm dicke Diffusionsschicht und die konstant gebliebene Kernhärte.The diagram shows the diffusion layer and 0.11 mm thick the constant core hardness.

Nach dem Nitrieren werden die Federn mindestens 45 min lang mit kugeligem Korn aus einem speziellen Federdraht gestrahlt (die Verfahrensparameter: Korngröße < etwa 0,4 mm Abwurfgeschwin digkeit maximal etwa 60 m/s). R_z (mittlerer Rauheitskennwert) nach dem Strahlen darf maximal bei etwa 15 µm liegen.After nitriding, the springs are blasted with spherical grain from a special spring wire for at least 45 minutes (the process parameters: grain size <approximately 0.4 mm discharge speed maximum approximately 60 m / s). R _z (average roughness value) after blasting may not exceed 15 µm.

Ein Vergleich zwischen den erfindungsgemäß vergüteten Federn und den Federn gemäß dem St. d. T, zeigt, daß bei den letzteren im Einsatz ein flächenmäßiger Verschleiß auftritt, während bei den erfindungsmäßig hergestellten Federn ein Verschleiß nur punkt- oder linienförmig auftrat.A comparison between the springs tempered according to the invention and the springs according to St. d. T, shows that in the latter areal wear occurs during use, while at the springs produced according to the invention only wear dotted or linear.

Claims

1. Coil spring made of a nitride-forming alloy component containing steel, characterized in that a nitride-containing diffusion layer forms at least partially the surface of the coil spring.

2. Coil spring according to claim 1, characterized in that at least one metal from the alloy components Group Cr, Mo, V, and Al belongs.

3. Coil spring according to claim 1 or 2, characterized net that the steel contains Si.

4. Coil spring according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the coil spring is a nozzle holder spring for diesel injection systems.

5. Coil spring according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that the diffusion layer exclusively the Forms surface on the end faces of the coil spring.

6. Coil spring according to claim 5, characterized in that the diffusion layer the surface of the front Forms turns of the spring.

7. Object according to one of claims 1 to 6, characterized records that the diffusion layer between about 20 and about 150 µm with a hardness of <750 HV0.1 at a depth of 10 µm.

8. Object according to claim 7, characterized in that the Diffusion layer is between about 50 and about 120 microns thick.

9. Object according to claim 8, characterized in that the Diffusion layer is about 100 microns thick.

10. Method of making a coil spring in particular according to one of claims 1 to 9, characterized in that the surface of a coil spring made of nitride Steel containing alloy components at least partially by nitriding in a treatment gas containing nitrogen a diffusion layer is converted, the Nitrogen content in the treatment gas is set so that does not form a connection layer on the spring surface.

11. The method according to claim 10, characterized in that is nitrided in a plasma.

12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the N ₂ portion in the treatment gas is set to a value <about 13 vol .-%.

13. The method according to claim 12, characterized in that the N ₂ content in the treatment gas is set to a value between about 8 and about 12 vol .-%.

14. The method according to claim 13, characterized in that the N ₂ portion in the treatment gas is set to <about 10 vol.%.

15. The method according to any one of claims 10 to 14, characterized in that the treatment gas consists essentially of N ₂ , H ₂ and Ar.

16. The method according to any one of claims 11 to 15, characterized characterized in that when plasma nitriding at a temperature <about 440 ° C is worked.

17. The method according to claim 16, characterized in that in Range between about 350 and about 430 ° C is nitrided.

18. The method according to claim 17, characterized in that at about 420 ° C is nitrided.

19. The method according to claim 18, characterized in that the Plasma at a voltage in the range between about 500 and about 580 V is operated.

20. The method according to claim 19, characterized in that the plasma is operated at a voltage of approximately 550 volts.

21. The method according to claim 19 or 20, characterized in that with a pulse duration of at least 50 µsec Pulse / pause ratio is between about 1: 1 and about 1: 2.

22. The method according to any one of claims 11 to 21, characterized characterized in that at least one pressure in the plasma reactor is set in which the - also from the Voltage and gas composition dependent - plasma current density is sufficient to ensure nitriding.

23. The method according to claim 22, characterized in that a pressure of <about 100 Pa is set.

24. The method according to any one of claims 11 to 23, characterized characterized that between about 20 and about 30 hours is nitrided.

25. The method according to claim 24, characterized in that nitrided for about 24 hours.

26. The method according to any one of claims 11 to 25, characterized characterized in that for the only partial nitration of the Spring surface the surface areas that are not nitrided through walls, which are from the spring surface have a short distance, are covered mechanically.

27. The method according to claim 26, characterized in that, if the end faces of the coil springs are selectively nitrided metal plates with holes are to be provided in which the coil springs for nitriding with one forehead inserted in the direction of their longitudinal axis, the plates are about as thick as the coil springs are long, and the holes have a diameter that is only is slightly larger than the outer diameter of the spring, and the End faces not or only insignificantly from the plates protrude.

28. The method according to claim 26, characterized in that, if the end faces of the coil springs are selectively nitrided the coil springs are bundled for nitriding, d. H. that a number of coil springs are summarized so is that areas of the lateral surface abut each other, and that the resulting bundle leaves the front sides free a steel band is wrapped, the steel band about like this is wide, how the coil springs are long, and that End faces not or only marginally over the edges of the Steel bands protrude.

29. The method according to claim 26, characterized in that, if the end faces of the coil springs are selectively nitrided the coil springs are to be stacked in a frame be, with the stacked coil springs with areas of Shell surfaces against each other or possibly on the frame gene, the dimension of the frame parallel to the spring axes approximately is as big as the coil springs are long and the End faces of the coil springs not or only insignificantly stick out of the frame.

30. The method according to any one of claims 26 to 29, characterized characterized in that at a pressure in the range between about 100 and about 150 Pa is nitrided.

31. The method according to claim 30, characterized in that is nitrided at a pressure of about 120 Pa.

32. The method according to any one of claims 26 to 29 characterized in that at a pressure in the range between about 100 and about 300 Pa is nitrided, pins with a Diameter that is only slightly smaller than the inside diameter of the Coil springs is in which coil springs are inserted.

33. The method according to any one of claims 11 to 32, characterized characterized in that at a pressure of about 120 Pa, one Temperature of about 420 ° C, a voltage of about 550 volts nitrided for about 24 hours.

34. The method according to any one of claims 10 to 33, characterized characterized that the coil springs before nitriding be degreased.

35. The method according to any one of claims 10 to 34, characterized characterized in that if the coil springs <24 hours have been stored, before nitriding with glass beads or Beads from equivalent materials are blasted.

36. The method according to any one of claims 11 to 35, characterized characterized that the coil springs in the plasma reactor before subjecting the nitriding to a sputtering step.

37. The method according to any one of claims 10 to 36, characterized the coil springs briefly at around 440 ° C after winding be started.

38. The method according to claim 37, characterized in that the coil springs are left on for 10 minutes.